基于高通量测序技术的中蜂传粉多样性研究

Bees provide essential pollination service to the terrestrial ecosystem and produce important agricultural products, e.g., honey. Apis cerana cerana is largely endemic in China, serving as critical local pollinators, especially for the southwestern mountains. Research on pollinating diversity of the Chinese honey bees is insufficient, leading to the lack of basic understanding of their ecological values. Classic palynology relies on pollen morphology, which is highly demanding in taxonomic expertise, leaving it difficult for large-scale ecological applications. And both PCR-based DNA barcoding and metabarcoding have clear limitations in analyzing pollen mixtures. The proposed work will develop improved NGS sequencing and bioinformatics pipelines to study pollinating diversity for the Chinese honey bees. We will investigate the A-Ba bee populations distributed in Minshan Mountains, Sichuan Province, with a goal to understand the dynamics of pollen diversity in time and space. External stress/factors, e.g., habitat types, anthropogenic disturbances, will be examined for their consequences on pollination. The overall results will be analyzed to understand the ecological contributions of the Chinese honey bees to the local flora. The proposed work will employ PCR-free-based high throughput sequencing technologies, using whole chloroplast/plastid genome sequences as references, to identify plant species and their relative abundances in pollen mixtures. The methodology and pollination database constructed from this work will help to understand long-term function of the bees, providing evidence for better conservation practices and management, and will likely be informative to studies on other pollinator-plant interactions.

蜜蜂提供了陆地生态系统的关键传粉功能以及蜂蜜等重要农产品。我国特有品种中华蜜蜂（中蜂）是西南山地不可替代的本地传粉昆虫。关于中蜂传粉植物多样性的研究比较薄弱，导致对其生态价值评估缺乏科学数据。经典孢粉学对专业知识要求高，不易推广到大规模生态学研究中。而基于PCR扩增的DNA条形码和宏条形码方法在分析混合花粉样品时都存在明显缺陷。本课题拟采用改进的高通量测序和生物信息分析方法，以四川岷山阿坝中蜂为主要研究对象，通过花粉组成研究中蜂传粉多样性的时空变化及外部因素（如：人为干扰、外来种等）对其产生的影响，定量评价中蜂对当地显花植物的传粉贡献。本课题将使用无需PCR的高通量分析方法，采用叶绿体基因组的全序列作为参考数据库，准确鉴定粉源植物的物种组成和相对丰度。本工作建立的方法学及中蜂传粉数据库将为长期生态学研究和有针对性的保护管理提供数据基础，预期也将对其它传粉昆虫与植物相互关系的研究有参考性。

蜜蜂为陆地生态系统提供了关键的传粉服务。其中，在我国分布的东方蜜蜂（“中华蜜蜂”或“中蜂”）在自然和农业生态系统中都发挥了举足轻重的生态功能。中蜂在一定的开花植物本底背景下所采集的花粉组成和变化，既反映了中蜂对当地生态系统的传粉贡献，也为理解蜜蜂食物组成偏好和优化蜜蜂养殖提供关键信息。然而，关于中蜂传粉植物多样性的研究比较薄弱，导致对其生态价值评估缺乏科学数据。经典的孢粉形态学和基于PCR扩增的宏条形码方法在分析混合花粉样品时都存在明显缺陷。.为理解中蜂对西南山地森林生态系统的传粉贡献，本课题建立了创新的高通量测序和生物信息分析方法，以四川岷山地区的中蜂为主要研究对象，通过对蜂粮和蜂蜜内的混合花粉进行定量分析，测定中蜂的传粉组成和偏好性、以及时空变化。在项目支持下，1) 课题组首创了不使用目标基因扩增的混合花粉定量分析方法；2) 首创了基于宏基因组测序和机器学习的蜂蜜粉源植物多样性分析方法，应用于蜜蜂传粉组成分析和蜂蜜的地理溯源；3) 建立了以西南山地研究地区为中心的常见蜜粉源植物叶绿体参考数据库；4) 定量评估了西南山地地区中蜂的花粉采集组成、偏好性及时空变化规律，发现：研究范围内的中蜂为当地数十种植物传粉，花粉组成具有显著的季节变化，而海拔特征不明显；中蜂显著偏好木本植物，在盛花期主要以大宗蜜粉源植物为食（如：板栗、椴树、猕猴桃等），而在过渡期更多依赖多样化的零星开花植物，其中部分花期长的零星蜜源植物（如勾儿茶等）是蜂群发展的重要辅助食物；5) 基于蜜蜂肠道中混合花粉食物的分析，课题组还揭示了蜜粉源植物组成对蜜蜂及肠道共生菌系统进化和适应的关键影响。.本项目为研究传粉昆虫的传粉组成、食物结构建立了重要的方法和参考数据库。研究结果首次揭示了中蜂在我国西南山地地区的传粉功能和食物偏好，以及随季节变化的规律。相关结果为理解中蜂的生态功能和优化山地蜜蜂养殖提供了一手的科学数据。